机械设计制造中液压机械控制系统设计

引言

在机械设计制造行业快速发展的背景下，液压机械控制系统凭借功率密度大、控制精度高、响应速度快等优势，成为现代工业装备的核心组成部分。从工程机械中的挖掘机、起重机，到机床加工设备、船舶动力系统，液压机械控制系统广泛应用于各类机械设备，其设计水平直接影响机械的性能、可靠性和工作效率。

、液压机械控制系统的基本原理

1.1 工作原理

液压机械控制系统以帕斯卡原理为基础，通过液压油作为介质实现能量的传递与转换。在工作过程中，动力元件将电动机的机械能转化为液压油的压力能，液压油在密闭的管路中流动，依靠压力传递动力。当液压油流经控制元件时，通过改变阀口的开度、方向等，实现对液压油的压力、流量和流向的精确控制。液压油进入执行元件，将压力能重新转化为机械能，驱动负载完成直线运动或旋转运动。

1.2 系统组成

液压机械控制系统的核心组件有五个部分。动力源为系统提供动力来源，主要有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等，靠旋转产生机械能转换为液压油压力能；液压驱动器直接带动负载，如液压缸做直线往复运动的机床工作台进给、汽车起重机吊臂伸缩，液压马达将转动运动传递给驱动回转件，如搅拌机、船用螺旋桨等；控制阀调节液压油的压力、流量、方向，控制系统的执行元件。

1.3 特点分析

液压机械控制系统有非常典型的技术优势与局限性。其技术优势主要表现为功率密度高，体积小功率大，能提供巨大的力或力矩，可以应用在大型机械和大功率设备中；精度高，依靠精确的控制精度的液压阀与传感器能实现很高的速度、位置和力的控制，适合应用到精密加工等领域；响应速度高，液压油几乎不可压，因此信号传输速度很快，系统可以实现对控制指令的快速响应，做到动作的快速转换；灵活性强，可以通过改变控制元件的参数，很方便地改变系统的工作形式，实现各种复杂的运动形式。

二、液压机械控制系统设计的关键技术

2.1 液压油的选择与管理

液压油是液压系统中传递功率的介质，其品质直接影响着液压系统的稳定性及使用寿命。在液压油的选择上，不仅要综合考虑其所处的工作压力、环境温度及运动速度等工况，也需根据工作的环境温度选择在低温下流动特性较好的液压油，防止在低温环境下启动时由于油液的粘度增大而使液压系统难以启动。对液压油来说定期监控油液的污染度、粘度、酸值等液压油最重要的特性指标具有重要意义。

2.2 液压元件的选型与匹配

液力元件选型与匹配决定系统的性能。液泵的选型，根据系统所需要的流量、压力和转速，以及液泵的效率、噪声、可靠性等进行选择，液缸和液马达的选型，要结合负载特性，即负载的质量、负载运动速度、行程等参数，以提供足够大驱动力、运动精度等；控制元件的选型，直接影响液力系统的控制性能，压力阀、流量阀、方向阀的规格和类型，要与系统的工作要求相适应，实现准确地调节压力、流量与变换液流方向。

2.3 油路设计与优化

油路设计应遵循压力损失少、布局合理、易于操作等原则。合理安排管路走向，合理布置管路弯头和连接接头，能够减少油液的沿程摩擦阻力和局部摩擦阻力；在选择管路直径时，根据流量及流速计算结果确定，保证油液平稳地流动于管路，防止流体的紊动和产生空穴；高压油路应选择强度大、密封可靠的管路材料及合理连接方式，防止油路油液泄露。优化油路设计，充分利用仿真分析软件，在模拟不同工况下油液的流动状态，对油液的压力损耗、流量分布情况进行估算，从而改善管路设计。

2.4 控制系统的设计与实现

对于液压机械控制系统，应当通过机械结构与工作要求，在对执行元件进行严格控制的基础上进行设计。电气控制系统作为系统的核心部分，实时地通过传感器对整个系统内压力、流量、位移等信号进行测量，然后将测量得到的数据输送到控制器中，在控制器中通过预置的控制算法将信号进行处理之后再输出控制量调节液压阀的开度，亦或是换向，由此实现对执行元件运动的严格控制，在控制算法上可以进行 PID 控制、模糊控制等先进控制策略，提高该控制系统的快速性和控制精度。

三、液压机械控制系统的优化策略

3.1 效率优化

优化液压机械控制系统工作效率可以从以下几点展开，对负载和系统参数的匹配至关重要。根据现场工况设计负载的需求，从而避免因液压泵的选型过大会造成大马拉小车的能量损耗现象，优化执行元件与负载之间的连接，降低传动过程中的动力消耗。对于液压元件的选型主要在于选择高效节流的元件，比如变量泵可以根据系统的压力来驱动不同排量，在液压泵驱动系统中，没有负载的时候系统驱动空载，液压系统空转，从而减少能耗。

3.2 可靠性优化

为了提高液压机械控制系统运行的稳定性，应选择质量可靠、稳定的液压元器件，严格把好元件选用关，选择已进入市场、信誉度高的元件，从根源上减少元器件故障的可能性。强化设备的检修维护，制定完备的设备维护管理考核制度，定时检测液压系统油液的状况、元件的磨损情况和密封情况，对磨损老化、损坏的元件及时更换；对系统的关键环节采用冗余设计，设置相应的冗余元件或回路，这样当主元件发生故障之后，可以及时启用备用元件或回路，保持液压系统不中断运行。

3.3 成本优化

在液压机械控制系统的元件选型设计上要注意选择成本最低的元件。液压元件的选型过程中，要考虑元件选型的成本因素，结合多个不同厂家、不同型号元件产品的性能价格比，对价格相对低廉、性价比较高的产品加以选择，在保证系统功能特性的前提下，避免因为选用高价元件而造成成本过高。设计中要优化，主要的方法就是通过对系统结构的 CAD、模拟仿真软件进行优化选择，分析系统油路布置等多样的系统设计方案，对于系统结构，要对多个方案进行有效优化，减少冗余的结构与环节，优化机械装配制造的成本与费用等。控制系统在实际运行中要注重液压油管理，严格把握油液更新换代的时间与节点，通过有效的过滤净化等手段保障油液的使用时间更长，在一定程度上减少液压控制系统的耗材。

结语

液压机械控制系统设计是机械设计制造领域的核心技术。本文系统探讨其原理、关键技术与优化策略，证实合理设计可显著提升系统效率、可靠性并降低成本。智能化、绿色化技术的融合，液压机械控制系统将朝着高精度、低能耗方向发展，持续为机械制造行业的创新升级注入动力。

参考文献

[1]熊家亮.液压机械传动控制系统在机械设计及制造中的应用[J].现代制造技术与装备,2024,60(02):118-120.

[2]张扬.机械设计制造中液压机械传动控制系统的应用[J].现代制造技术与装备,2022,58(12):174-176.